鋁點(diǎn)焊在汽車上的運(yùn)用

1.引言

1 汽車輕量化及鋁車身發(fā)展趨勢

隨著汽車保有量的持續(xù)增加，環(huán)保和節(jié)能減排問題尤為凸顯，汽車輕量化設(shè)計(jì)勢在必行。汽車輕量化是指在保持汽車原有的性能不受影響的前提下實(shí)現(xiàn)汽車重量的減輕。既要有目標(biāo)地減輕汽車自身的重量，又要保證汽車行駛的安全性、耐撞性、操控性及舒適性，同時(shí)還需保證成本不會(huì)增加或少量增加。

目前，汽車輕量化主要可以通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輕質(zhì)材料的替代應(yīng)用、制造成形工藝的升級(jí)以及先進(jìn)連接技術(shù)的應(yīng)用等四大途徑來實(shí)現(xiàn)，見圖1-1。

圖1-1 汽車輕量化途徑

在汽車的整備質(zhì)量中，車身的重量占了四分之一以上。現(xiàn)有汽車車身一般由金屬材料（主要為鋼板）經(jīng)過沖壓、焊接等方式生產(chǎn)而成。在上述輕量化途徑中，輕質(zhì)材料的替代使用是一種最直觀的方案，消費(fèi)者可以看得見摸得著。比如你將汽車的前機(jī)蓋從鐵制換成了鋁制或碳纖維，顧客在開啟機(jī)蓋時(shí)就可以直觀體驗(yàn)到。車身輕質(zhì)材料的主要技術(shù)路徑包括超高強(qiáng)鋼（含熱成形）、鋁合金、復(fù)合材料玻纖碳纖等。寶馬等歐系車主要是采用碳纖維來替代，美系（如特斯拉、F150）應(yīng)用最大的則是全鋁車身。圖1-2為寶馬新7系上的碳纖維加強(qiáng)部件。

圖1-2 寶馬新7系上的碳纖維

碳纖維復(fù)合材料密度小，強(qiáng)度高，是目前應(yīng)用的輕質(zhì)材料中減重效果最為顯著的，但其成本相對(duì)較高。所以，對(duì)于國內(nèi)車型來說，車身的鋁合金化是材料替代途徑中最適合的方案，沒有之一。目前，蔚來汽車、愛馳汽車等造車新勢力也都在嘗試做全鋁車身。圖1-3為蔚來汽車車身鋁合金部件展示。

圖1-3 蔚來ES8車身

目前，鋁合金在國內(nèi)汽車車身上的應(yīng)用情況如下表1-1所示：

2 鋁車身連接技術(shù)

根據(jù)輕量化車身材料及位置的不同，相應(yīng)的連接技術(shù)也有所不同，目前比較常用的輕量化連接技術(shù)為激光焊接、自沖鉚、鋁點(diǎn)焊及粘接技術(shù)。各種連接技術(shù)的簡單示意和中英文簡稱如圖1-4所示。

圖1-4 輕量化連接技術(shù)

目前，幾種可用于鋁車身的先進(jìn)連接技術(shù)的使用車企及區(qū)域如表1-2所示。

2.鋁合金點(diǎn)焊

1 工藝簡介

點(diǎn)焊是將重合的金屬夾入相對(duì)于的金屬電極（焊嘴）上，再加上適當(dāng)?shù)膲毫Φ耐瑫r(shí)，流過非常大的電流，使之發(fā)熱熔化，從而接合在一起的焊接。鋁點(diǎn)焊與鋼點(diǎn)焊一樣，應(yīng)用的是焦耳原理。同樣，點(diǎn)焊的形成可以分為：預(yù)壓階段-通電加熱-鍛壓。圖2-1為鋁點(diǎn)焊的操作示意圖。

圖2-1 鋁點(diǎn)焊工藝步驟示意

圖2-2和2-3分別展示了兩種不同方案的鋁點(diǎn)焊連接外觀。

    圖2-2 通用MRD電極鋁點(diǎn)焊外觀效果

圖2-3 伏能士電極帶式鋁點(diǎn)焊外觀效果

2 工藝特點(diǎn)

鋼與鋁的物理特性相差較大，具體如表2-1。

由于鋁合金所具有的獨(dú)特性能，使其在焊接過程中有以下幾大特點(diǎn)：

極強(qiáng)的氧化能力（生成氣孔）

鋁合金與氧的親和力很大，在空氣中極易與氧化合在其表面，行程致密的、厚度約為0.1μm的氧化膜（Al2O3），其熔點(diǎn)極高（約2050℃）、密度大（3.95~4.10kg/m3），屬于難熔物質(zhì)，焊接時(shí)會(huì)阻礙金屬之間的良好結(jié)合，導(dǎo)致未焊透“焊縫夾渣”不融合現(xiàn)象，且由于氧化膜吸附大量水分，容易使焊縫產(chǎn)生氣孔。

高的熱導(dǎo)率和導(dǎo)電性（焊透性）

鋁合金具有較大的熱導(dǎo)系數(shù)和比熱容，比熱容比鋼大2倍，導(dǎo)熱性約大三倍。因此焊接時(shí)為保證良好融合，必須采用能量集中、功率大的熱源，有時(shí)需采用預(yù)熱等工藝措施。經(jīng)驗(yàn)表明：相同焊接速度下，焊接鋁合金的熱輸入量要比焊接鋼材大2~3倍。

線膨脹系數(shù)大（熱裂紋）

鋁的線膨脹系數(shù)比鋼大2倍，因此，在拘束條件下焊接時(shí)易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力和變形或在脆性溫度區(qū)間內(nèi)導(dǎo)致熱裂紋，生產(chǎn)中常采用調(diào)整焊絲成分的方法防止裂紋的產(chǎn)生。

高溫下的強(qiáng)度和塑性低（強(qiáng)度低）

鋁合金焊接接頭的強(qiáng)度低于母材，即有軟化現(xiàn)象。焊接接頭力學(xué)性能較難保證，抗拉強(qiáng)度低，塑性不足，是鋁合金應(yīng)用的一大障礙。

加熱時(shí)無色澤變化（燒穿）

鋁合金從固態(tài)變化為液態(tài)時(shí)，無明顯的顏色變化，這給焊接操作者帶來不少的困難。

3 與鋼點(diǎn)焊的不同之處

焊接時(shí)間

通過以上分析可知，鋁點(diǎn)焊時(shí)需要高電流和短的焊接時(shí)間。同時(shí)，由于鋁的熱導(dǎo)率高的問題，就需要控制電流的上升時(shí)間在極短的時(shí)間內(nèi)。圖2-4為兩種點(diǎn)焊的焊接時(shí)間的對(duì)比。

圖2-4 鋼點(diǎn)焊與鋁點(diǎn)焊的焊接時(shí)間對(duì)比

電極頭

鋁合金有高導(dǎo)熱系數(shù)，傳熱快，鋁點(diǎn)焊時(shí)存在很大的軟化區(qū)域。鋁合金點(diǎn)焊時(shí)需要大直徑的焊接面電極帽，從而覆蓋鋁合金焊核及其軟化區(qū)域。電極頭的對(duì)比如圖2-5所示。

圖2-5 鋼點(diǎn)焊與鋁點(diǎn)焊的電極頭對(duì)比

鋁點(diǎn)焊時(shí)，需要采用大端面的電極。一方面，球狀凸起表面可以加速壓入材料，縮短工序時(shí)間；鋁點(diǎn)焊必須壓緊塑性材料（被軟化區(qū)域），從而避免飛濺。端面半徑可為25mm、50mm、80mm、100mm等不同規(guī)格。

熱量產(chǎn)生位置

普通的鍍鋅鋼板在點(diǎn)焊時(shí)熱量主要集中在板材中部，普通的鋁合金點(diǎn)焊時(shí)的熱量主要集中在上下兩個(gè)電極頭和兩層鈑金中間。而我們希望鋁點(diǎn)焊的熱量較多的集中在中部形成焊核的位置。如圖8所示。

圖2-6 鋼與鋁-點(diǎn)焊熱量產(chǎn)出位置

冷卻水流量

與鋼點(diǎn)焊相比，鋁點(diǎn)焊的焊槍冷卻水流量需求至少需要增加2倍以上。圖2-7為某供應(yīng)商的鋁焊槍示意圖。

圖2-7 鋁點(diǎn)焊焊槍組成

總結(jié)

在各種焊接方法中，鋁點(diǎn)焊具有靜強(qiáng)度高、可靠性好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但鋁點(diǎn)焊本身也具有 很大的焊接缺陷，包括焊點(diǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定、電極燒損嚴(yán)重使用壽命短等。其中，焊點(diǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定主要體現(xiàn)在飛濺較為嚴(yán)重、焊點(diǎn)表面質(zhì)量差、熔核尺寸波動(dòng)大和熔核內(nèi)部易產(chǎn)生缺陷等。